CC BY
79
DOI: 10.18698/0236-3941-2016-2-72-80 УДК 66.069.83
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПЛЕНОЧНЫХ ФОРСУНОК С ГАЗИФИКАЦИЕЙ ПЛЕНКИ ЖИДКОСТИ
A.В. Кузнецов, С.В. Медвецкий, А.И. Ивашов,
B.В. Зеленцов, Н.В. Быков
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Российская Федерация
e-mail: avk-51@mail.ru; sergey-medvetskiy@yandex.ru; ivashovai@mail.ru;
dean@sm.bmstu.ru; bykovnv@bk.ru
Разработано стендовое оборудование и выполнены экспериментальные исследования процесса функционирования пленочных форсунок с газификацией пленки жидкости. Экспериментальным путем установлены зависимости медианного диаметра капель от давлений жидкости и воздуха на входе в форсунку, давления в полости форсунки, расхода жидкости и отношения расходов воздуха и жидкости от скорости воздушного потока. В результате обработки экспериментальных данных выявлены качественные и количественные зависимости значений гидро- и газодинамических параметров газифицированной пленки от режимов подачи жидкости и воздуха в полость газожидкостной форсунки. Использование полученных результатов при проектировании пленочных форсунок с газификацией пленки жидкости позволит существенно повысить их эффективность.
Ключевые слова: газификация пленки жидкости, влажность газожидкостной среды, форсунка, струя жидкости.
EXPERIMENTAL STUDIES OF FILM NOZZLES FUNCTIONING PROCESS WITH THE LIQUID FILM GASIFICATION
A.V. Kuznetsov, S.V. Medvetskiy, A.I. Ivashov, V.V. Zelentsov, N.V. Bykov
Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russian Federation e-mail: avk-51@mail.ru; sergey-medvetskiy@yandex.ru; ivashovai@mail.ru; dean@sm.bmstu.ru; bykovnv@bk.ru
The aim of this work is to develop bench equipment and perform experimental studies of film nozzles functioning process with the liquidfilm gasification. The findings of the research illustrate the following parameters: the relation between the median droplet diameter and the fluid pressure at the nozzle inlet, the air pressure at the nozzle inlet, nozzle cavity pressure, fluid flow rate, air and liquid flow rate. As a result of experimental data processing, we revealed qualitative and quantitative relation between the hydro- and gasodynamic values of the gas-saturated film and modes of liquid and air supply in the cavity of a gas-liquid injector. The results obtained in designing the film nozzles with liquid film gasification will give an opportunity to significantly improve their performance.
Keywords: liquid film gasification, moisture of gas-liquid medium, nozzle, liquid jet.
В ряде тепломассообменных аппаратов энергетики и химической промышленности [1,2] происходит взаимодействие газа и сплошной жидкой пленки, вытекающей из кольцевой щели. Проблема распыли-вания (или диспергирования) жидкости имеет также важное значение
для обеспечения надежного сгорания топливных смесей в двигателях внутреннего сгорания и в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей [3, 4]. В порошковой металлургии является актуальной задача получения определенного размера частиц конечного порошкового продукта [5].
В таких аппаратах газ взаимодействует со сплошной жидкостной пленкой каплями, на которые распадается струя. Существуют методики расчета подобных процессов [6-8]. Механизм создания пленки жидкости и ее последующего дробления обусловлен рядом параметров, определяющих качество дробления [6, 7, 9]. К ним относятся: толщина пленки, скорость ее движения по поверхности, форма поверхности, соотношение массовых расходов воздуха и распыляемой жидкости. Получение пленки жидкости обеспечивается путем равномерной подачи жидкости на профилированную поверхность с последующим воздействием на эту пленку струи газа. Под действием набегающего потока газа скорость движения жидкости увеличивается, а толщина ее уменьшается. При экспериментальных исследованиях ставилась задача по выявлению закономерности влияния различных факторов (давления воздуха, плотности жидкости, расходов воздуха и жидкости, увеличения скорости воздушного потока) на процесс газификации пленки жидкости при функционировании пленочной форсунки.
Экспериментальные исследования пленочной форсунки с газификацией пленки жидкости. Экспериментальные исследования процесса функционирования пленочных форсунок с газификацией пленки жидкости проводились на специальном стенде, схема которого представлена на рис. 1. Введены следующие обозначения: 1 — датчики давления; 2 — система подачи рабочей жидкости; 3 — компрессор; 4 —
Рис. 1. Стенд для продувок моделей распыляющих устройств
Жидкость система отбора проб; 5 — расходомер GE Sensing DF868 для измерения расхода жидкости; 6 — расходомер ЭМИС-РГС 245 для измерения расхода воздуха; РУ — система измерения параметров стенда и рабочего устройства. В качестве рабочей жидкости использовалась вода [10].
Экспериментальное определение фракционно-дисперсных характеристик проводилось методом улавливания капель на первичные подложки с последующей Рис.2. Схема форсунки их обработкой. Для улавливания
капель в высокоскоростном потоке газа использовалась система проб с изокинетичным входом [9]. Пробы отбирали в пяти точках поперечного сечения потока. В систему отбора проб входило пять пробоотборников с кольцевыми газодинамическими затворами, установленными на одной линии на общем коллекторе, причем в каждом пробоотборнике устанавливалось две подложки. При измерении мелкой фракции использовались четырехступенчатые импакторы, предварительно от-калиброванные на рабочей жидкости.
В процессе испытаний использовалась форсунка с постоянной шириной канала длиной L = 200 мм с предварительным созданием пленки. Схема форсунки представлена на рис. 2, где /кан — ширина канала; Фж — диаметр канала жидкости; Фв — диаметр канала воздуха; 1р — расстояние между каналами жидкости и воздуха. Конусный вариант выполнения конструкции форсунки обусловлен целесообразностью увеличения поверхности смешивания жидкости и воздуха.
Анализ результатов (таблица), полученных при испытаниях, показывает, что повышение давления воздуха и снижение давления жидкости приводит к повышению эффективности процесса дробления (см., например, эксперимент № 12).
В таблице введены обозначения: Рвхж и Рвхв — давление жидкости и воздуха на входе в форсунку; Рпол — давление в полости форсунки; Сж — расход жидкости; G/Сж — отношение расходов воздуха и жидкости; du — медианный диаметр капель; Ею — процентное содержание капель диаметром до 10мкм.
В целях выявления особенностей процесса дробления была выполнена математическая обработка результатов испытания пленочной форсунки с газификацией пленки жидкости, представленных в таблице. Исследовалась зависимость медианного диаметра капель du от давления жидкости на входе в форсунку, давления воздуха на входе в форсунку, давления в полости форсунки, расхода жидкости и отношения
Значения фракционно-дисперсных характеристик
Номер эксперимента P -105 1 вх.ж 10 ? Па Рвх.в-105, Па Рпол-105, Па £ж-10-6, м3/с dM, мкм Ею, %
1 2,3 2,2 0, 34 42,7 0,7 15,3 27,4
2 2,3 4,4 1,16 34,5 1,4 10,0 50,0
3 2,5 3,6 0,85 40,1 1,0 10,0 50,0
4 1,4 1,3 0,24 35,0 0,7 13,3 30,0
5 2,8 4,1 1,16 42,0 1,1 9,97 50,3
6 8,0 4,2 1,17 83,0 0,6 12,0 34,7
7 4,6 4,2 1,41 60,0 0,8 10,6 45,0
8 6,5 4,4 0,85 71,4 0,8 11,0 40,4
9 2,8 3,5 1,50 43,7 0,96 10,7 40,0
10 2,9 5,0 1,50 48,3 1,2 9,2 57,0
11 16,0 5,0 1,78 112,5 0,5 10,8 44,0
12 14,7 5,7 1,79 57,5 1,1 8,2 65,0
13 15,6 5,7 1,79 116,67 0,5 10,4 46,0
14 15,1 5,7 2,00 116,6 0,5 10,6 45,0
15 11,8 6,3 2,30 103,0 0,7 10,2 48,0
16 13,0 7,0 2,00 105,0 0,7 10,8 42,0
17 12,9 6,4 2,05 103,0 0,7 10,2 48,0
расходов воздуха и жидкости. Результаты обработки представлены на рис. 3-6.
В результате анализа выявлено, что в процессе проведения эксперимента наблюдался существенный стохастический разброс значений медианного диаметра капель ¿м при фиксированных значениях
0 2 3 4 Рвхв-105Па
Рис. 3. Экспериментальная зависимость медианного диаметра капель от давления воздуха в полости форсунки:
1 — квадратичная аппроксимация экспериментальных данных; 2 — линейная аппроксимация экспериментальных данных
Рис. 4. Экспериментальная зависимость медианного диаметра капель от давления жидкости в полости форсунки (кривые 1, 2 — см. рис. 3)
Зоны
20 40 60 80 100 120
Сж-10"6,м3/с
Рис. 5. Экспериментальная зависимость медианного диаметра капель от расхода жидкости в полости форсунки (кривые 1, 2 — см. рис. 3)
¿¡L, мкм
> 2 « \ 7
Зоны пульсаций потока 1 1 1 1 1
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Gb/G5
Рис. 6. Экспериментальная зависимость медианного диаметра капель от отношения расходов воздуха и жидкости в полости форсунки (кривые 1, 2 — см. рис. 3)
гидро- и газодинамических параметров потока — давления жидкости на входе в форсунку, давления воздуха на входе в форсунку, давления в полости форсунки, расхода жидкости и отношения расходов воздуха и жидкости. Настоящая особенность процесса дробления пленок жидкости в пленочных форсунках с газификацией обусловлена наличием высокочастотных колебаний как струи жидкости, так и газожидкостной среды в канале форсунки, а также локальных процессов кавитации, в результате которых происходит разрушение струи жидкости. Кроме того, разброс значений этих параметров обусловлен и погрешностью результатов измерений. Теоретическое обоснование этого процесса разработано в [7] путем численного моделирования. Характерные зоны пульсаций, полученные экспериментальным путем, приведены на рис. 3-6. Здесь же показаны результаты линейной и квадратичной аппроксимаций экспериментальных данных, выполненных с использованием стандартной программы МаШСАЭ.
С целью выявить интегральные зависимости медианного диаметра капель от значений гидро- и газодинамических параметров (давления воздуха в полости форсунки, плотности жидкости, соотношения расходов воздуха и жидкости) для различных значений скорости воздушного потока были выполнены расчеты этих параметров по известным формулам [4].
Средний (медианный) диаметр капель рассчитывался по формуле
< = 3,33 • 10-3 (Г (1 + т) + V рв^ ) \ т2;
+ 13,0 • 10-3 (' д (1 + ,
\0Рж/ \ тв)
где а — коэффициент поверхностного натяжения; рж — плотность жидкости; ^ф — характерный диаметр форсунки; — вязкость жидкости; ув — ско-
Шж
рость воздушного потока;--отно-
Шв
шение массовых расходов жидкости и воздуха.
Формула (1) справедлива для ма-
1(Г, МПа
Рис. 7. Зависимость медианного
^ диаметра капель от давления воз-
ловязк°и жидкости. Результаты расче- духа в полости форсунки для раз-тов медианного диаметра капель в за- ных значений скорости воздушного потока Vв:
1 — Ув = 79,25 м/с; 2 — ^ = 67,1 м/с
висимости от давления воздуха в полости форсунки для разных значений скорости воздушного потока, от плотности жидкости, от соотношения расходов воздуха и жидкости, а также от скорости воздушного потока приведены на рис. 7-9.
Заключение. Анализ представленных результатов экспериментальных исследований пленочных форсунок с газификацией пленки жидкости показывает, что динамика процесса их функционирования носит нестационарный, пульсирующий характер. Экспериментальным путем показано, что медианный диаметр капель существенно уменьшается при увеличении давления воздуха, уменьшении плотности жидкости, увеличении расходов воздуха и жидкости и увеличении скорости воздушного потока. Результаты линейной и квадратичной аппроксимации полученных экспериментальных данных позволили выявить качественную и количественную зависимость значений гидро- и газодинамических параметров капельной среды от режимов подачи жидкости и воздуха в полость газожидкостной форсунки.
Рис. 8. Зависимость медианного диаметра капель от плотности жидкости (а) и соотношения расходов воздуха и жидкости (б):
1 — Ув = 121,92 м/с; 2 — ув = 79,25 м/с; 3 — ув = 67,1 м/с; 4 — ув = 54,9 м/с
50 60 70 80 90 100 ü, м/с
Рис. 9. Зависимость медианного диаметра капель от скорости воздушного потока
Использование полученных результатов в практике проектирования пленочных форсунок с газификацией пленки жидкости позволит существенно повысить их эффективность.
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ (госзадание № 1224 "Обеспечение проведения научных исследований 20142016 гг.").
ЛИТЕРАТУРА
1. Семенов В.П., Платонов Н.И. Исследование теплообмена в контактном аппарате с пленочными форсунками // Вестник Южно-Уральского гос. ун-та. Сер. Энергетика. 2008. № 26 (126). С. 10-13.
2. Ходырев А.И., Куликов С.А. Процесс распыливания и оборудование для его реализации при добыче нефти и газа // Территория "Нефтегаз". 2011. № 3. С. 42-45.
3. Евстигнеев В.В., Еськов А.В., Клочков А.В. Комплекс контроля дисперсного состава капель струи распыленного топлива // Ползуновский вестник. 2006. № 4. С. 58-63.
4. Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей / Б.В. Раушенбах, С.А. Белый, И.Б. Беспалый, В.Я. Бо-родачев, М.С. Волынский, А.Г. Прудников. М.: Машиностроение, 1964. 525 с.
5. Экспериментальное исследование диспергирования жидкости эжекционны-ми форсунками / В.А. Архипов, С.С. Бондарчук, М.Я. Евсевлеев, И.К. Жарова, А.С. Жуков, С.В. Змановский, Е.А. Козлов, А.И. Коноваленко, В.Ф. Трофимов // Инженерно-физический журнал. 2013. Т. 86. № 6. С. 1229-1236.
6. Гельфанд Б.Е., Сильников М.В., Такаяма К. Разрушение капель жидкости. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. 307 с.
7. Кузнецов А.В., Зеленцов В.В., Ивашов А.И., Бездомников А.В. Особенности начальной фазы процесса функционирования пленочной форсунки с газификацией пленки жидкости // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2014. № 5. С. 33-45.
8. Кузнецов А.В. Математическая модель процесса взаимодействия одиночной нестационарной сверхзвуковой струи с подвижной преградой конечных размеров // Авиационная техника. 1986. № 1. С. 27-29.
9. Пажи Д.Г., Галустов В.С. Основы техники распыливания жидкостей. М.: Химия, 1984. 256 с.
10. Красилов В.Ф. Справочник по гидрогазодинамике. М: Изд-во МЭИ, 1992. 99 с.
REFERENCES
[1] Semenov V.P., Platonov N.I. The Analysis of Heat Transform in a Contact Film Jet Apparatus. Vestnik Yuzhno-Ural'skogo gos. univ. Ser. Energetika [Bulletin of South Ural State University. Ser. Power Engineering], 2008, no. 26 (126), pp. 10-13 (in Russ.).
[2] Khodyrev A.I., Kulikov S.A. Spray Atomization and Equipment for its Implementation in Oil and Gas Recovery. Territoriya Neftegaz (Oil and Gas Territory), 2011, no. 3, pp. 42-45 (in Russ.).
[3] Evstigneev V.V., Es'kov A.V., Klochkov A.V. The System for Control of the Size-Consist of the Atomized Fuel Stream Drops. Polzunovsky vestnik, 2006, no. 4, pp. 5863 (in Russ.).
[4] Raushenbakh B.V., Belyy S.A., Bespalyy I.B., Borodachev V.Ya., Volynskiy M.S., Prudnikov A.G. Fizicheskie osnovy rabochego protsessa v kamerakh sgoraniya vozdushno-reaktivnykh dvigateley [Principal Physics of the Working Process in the Jet Engine Combustion Chambers]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1964. 525 p.
[5] Arkhipov V.A., Bondarchuk S.S., Evsevleev M.Ya., Zharova I.K., Zhukov A.S., Zmanovskiy S.V., Kozlov E.A., Konovalenko A.I., Trofimov V.F. Experimental Investigation of the Dispersion of Liquids by Ejection Atomizers. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2013, vol. 86, iss. 6, pp. 1306-1314.
[6] Gelfand B.E., Silnikov M.V., Takayama K. Razrushenie kapel' zhidkosti [Liquid Droplet Breakup]. St. Petersburg, Politekh. Univ. Publ., 2008. 307 p.
[7] Kuznetsov A.V., Zelentsov V.V, Ivashov A.I., Bezdomnikov A.V. Features of Initial Operation Phase for Film Nozzle with Gasifying of the Liquid Film. Vestn. Mosk. Gos. Tekh. Univ. im. N.E. Baumana, Mashinostr. [Herald of the Bauman Moscow State Tech. Univ., Mech. Eng.], 2014, no. 5, pp. 33-45 (in Russ.).
[8] Kuznetsov A.V. Mathematical model of the interaction process of a single unsteady supersonic jet with moving obstacle of finite dimensions. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved., Aviats. Tekh. [Russ. Aeronaut.], 1986, no. 1, pp. 27-29 (in Russ.).
[9] Pazhi D.G., Galustov V.S. Osnovy tekhniki raspylivaniya zhidkostey [Basic Techniques of Liquid Atomization]. Moscow, Khimiya Publ., 1984. 256 p.
[10] Krasilov V.F. Spravochnik po gidrogazodinamike [Handbook of Fluid Dynamics]. Moscow, MEI Publ., 1992. 99 p.
Статья поступила в редакцию 8.04.2015
Кузнецов Александр Владимирович — канд. техн. наук, старший научный сотрудник МГТУ им. Н.Э. Баумана (Российская Федерация, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5).
Kuznetsov A.V. — Cand. Sci. (Eng.), Senior Research Scientist of Bauman Moscow State Technical University (2-ya Baumanskaya ul. 5, Moscow, 105005 Russian Federation).
Медвецкий Сергей Владимирович — д-р техн. наук, профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана (Российская Федерация, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5). Medvetskiy S.V. — Dr. Sci. (Eng.), Professor of Bauman Moscow State Technical University (2-ya Baumanskaya ul. 5, Moscow, 105005 Russian Federation).
Ивашов Александр Иванович — канд. техн. наук, ведущий инженер лаборатории дистанционного зондирования МГТУ им. Н.Э. Баумана (Российская Федерация, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5).
Ivashov A.I. — Cand. Sci. (Eng.), Leading Engineer of Remote Sensing Laboratory, Bauman Moscow State Technical University (2-ya Baumanskaya ul. 5, Moscow, 105005 Russian Federation).
Зеленцов Валентин Викторович — канд. техн. наук, шветник ректора МГТУ им. Н.Э. Баумана (Российская Федерация, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5). Zelentsov V.V. — Cand. Sci. (Eng.), the Rector's Council, Bauman Moscow State Technical University (2-ya Baumanskaya ul. 5, Moscow, 105005 Russian Federation).
Быков Никита Валерьевич — старший преподаватель кафедры "Ракетные и импульсные системы" МГТУ им. Н.Э. Баумана (Российская Федерация, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5).
Bykov N.V. — Senior Teacher of Rocket and Pulse Systems Department, Bauman Moscow State Technical University (2-ya Baumanskaya ul. 5, Moscow, 105005 Russian Federation).
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Кузнецов А.В., Медвецкий С.В., Ивашов А.И., Зеленцов В.В., Быков Н.В. Экспериментальные исследования процесса функционирования пленочных форсунок с газификацией пленки жидкости // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2016. №2. C. 72-80. DOI: 10.18698/0236-3941-2016-2-72-80
Please cite this article in English as:
Kuznetsov A.V., Medvetskiy S.V., Ivashov A.I., Zelentsov V.V., Bykov N.V. Experimental studies of film nozzles functioning process with the liquid film gasification. Vestn. Mosk. Gos. Tekh. Univ. im. N.E. Baumana, Mashinostr. [Herald of the Bauman Moscow State Tech. Univ., Mech. Eng.], 2016, no. 2, pp. 72-80. DOI: 10.18698/0236-3941-2016-2-72-80
